基于强/台风实测与风洞实验的高层建筑群风场特性研究

For structure design, the basic characteristics of wind load is it is a random process in both time domain and space domain. Thus, the wind properties at different positions in the wind field and the cross correlations of wind speeds between different positions are very crucial for the estimation and simulation of wind load on structures. In order to get a better understanding about the non-stationarity and the spatial distribution of wind field, this project will carry out the field measurement of wind velocity above the closely spaced high-rise buildings. The typical high-rise buildings located in the coastal cities will be selected as the base, and wind velocities will be simultaneously measured above each buildings. Such kind of field measurement based study has not been carried out a lot in China or abroad. We hope to find out the non-stationary characteristics and spatial correlation properties of wind field of different kinds of storms, like monsoon and typhoon, et al. above the buildings. So that, we can set up wind tunnel methods for the simulation of these properties based on the observed information, so that the wind load can be simulated properly especially for the large scale structures.

时空双重随机性是风荷载的基本特性之一，在结构设计时充分了解风场中各点处的风特性以及相关性的规律和特征，对估计与模拟结构风荷载有着非常重要的工程意义。为了能够更好的了解和掌握这些特性对结构风荷载的影响，本课题拟通过对高层建筑群顶部的风速场开展现场实测，以沿海台风多发城市的典型高层建筑（群）为基地，对不同建筑顶部的风速、风向进行同步测量。重点开展研究风场的非平稳性、空间相关性，以及高层建筑对风场的干扰效应。类似的工作在国内外均涉及不多。期望通过本项目的研究，能够对沿海地区城市上空不同种类风暴（如台风、季风）的风场各方面性质形成更深入的认识，并通过实测验证深入理解高层建筑间干扰效应的机理，建立模拟风场特性和规律的风洞试验方法，为大型结构（高层建筑、大型空间结构等）的模型风洞试验模拟提供可靠的理论与实测基础。

项目背景.作用在结构上的风荷载直接受到风场本身的性质的影响。同时，由于高层建筑越来越密集，作用在高层建筑上的风荷载由于其周围建筑的存在而导致来流风场发生变化，从而也会发生巨大的变化。另外，极值风速会直接影响极值风荷载的估计以及建筑物的风荷载设计值。因此，认真开展与脉动风以及极值平均风的研究是结构风工程研究中必不可少的环节。.研究内容.1. 风特性分析.项目组以北京市325高的气象塔所连续观测和记录为基础，开展了对脉动风特性的细致分析。利用风场相关性开发了丢失数据的弥补方法，可以很好实现风场数据的估计，插值等目标。此外，课题组开发了能够准确估计真正意义的年前r阶风速的估计方法，从而保证极值风荷载的估计结果更加符合实际。.2. 高层建筑风荷载以及风与结构的耦合作用.通过实现真正的前r阶风速的估计，可以更加准确地估计极值风荷载。同时，课题组以风洞测压实验为基础，量化了风致干扰效应，找到了导致风荷载增大的最不利建筑布局及风向角。课题组通过流场的可视化实验，从流场的角度分析了干扰效应导致建筑物风荷载增大的机理。.3. 结构动力性能分析.课题组在认真学习结构损伤识别的相关方法，并提出了一套便利的损伤识别方法。在机构动力特性分析方面，课题组创新性的将悬索桥的截面模型建立为一个6自由度体系，该模型在考虑竖弯和扭转的同时，考虑了主缆的平面内运动。通过进一步的非线性动力学响应分析，我们发现了悬索桥主缆的外张角度对于桥梁扭转响应的影响。.重要结果及意义.1. 发现了脉动风速非高斯特性的形成原因和机理.2. 从机理上解释了高层建筑风致干扰效应导致建筑风荷载增大的主要原因。.3. 提出了极值风荷载的估计方法，使得建筑风荷载的估计更为合理，准确。.4. 提出了一套结构损伤识别方法可以大大提高损伤识别的可操作性。.5. 建立了6自由度悬索桥截面模型，发现了主缆空间倾角对扭转非线性动力响应的影响。